JP2005207674A - 建屋の換気空調設備 - Google Patents

Abstract

【課題】
建屋の換気空調設備の運転動力を削減する。
【解決手段】
換気空調設備の送風機３と排風機５のモータ２１，３１の回転数を制御する給気及び排気可変速制御装置２０，３０を備え、給気可変速制御装置２０に、任意に測定された外気温度を基準に求められる換気空調設備の所要風量と、換気空調設備の定格風量との余裕率を演算する温度調節器２２を設け、温度調節器２２によりこの余裕率を削減するように給気可変速制御装置２０へ回転数制御指令を送ってモータ２１を制御することで送風機３を所要風量に調節する。更には、排気可変速制御装置３０に、建屋４内外の差圧を一定にする制御のための差圧調節器３２を設け、建屋４内外の差圧設定値が一定になるよう、排気可変速制御装置３０へ回転数制御指令を送ってモータ３１の回転数を制御することにより、排風機５の運転風量を調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建屋の換気空調設備に関し、特に原子力発電所の建屋における換気空調設備に有効なものである。

従来の原子力発電所の建屋の換気空調設備について説明する。

一般に、原子力発電所の建屋の換気空調設備は、その建屋内の機器から放散される熱量の除去、及び建屋内の各室の冷・暖房を行うことによって、運転員，作業員の居住性を確保すると共に、建屋内に設置される機器等の性能を適正に維持すること、室内で発生した汚染が拡大せぬよう建屋内を建屋外の外気に対して負圧に保って原子力発電所外周辺への放出放射能を抑制することをその主要目的としている。

原子力発電所において、放射能による汚染の可能性のある建屋、例えば原子炉建屋やタービン建屋内の特定の区域の換気空調設備の運転方法は、建屋の外から建屋内に取入れた外気で換気し、換気後に建屋外へ排気する方式を採用している。その取入れた外気は外気処理装置により除塵，冷却又は加熱が施され、送風機により建屋の内部各室へ供給する。また、排気については、排気を除塵した後、排風機により排気筒へ導き大気へ放出するものである（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

ところで、原子力発電所の建屋内には発熱量の多い大物機器が多く設置されるため、換気空調設備の設備容量はこれら大物機器からの熱除去を夏期において除去できる、即ち夏期のピーク条件を設計ベースとして、外気処理装置，送風機，排風機などの容量が設計されている。

また、発電所周辺に対する汚染拡散を最小限にするため、排気筒の吹き出し気流の風速を規定の値以上に保持する必要があり、送風機と排風機はその設計ベースでの定格風量で運転されている。因みに、これら換気設備の能力は概ね毎時６０万立方メートルという風量の大容量を有しているが、この定格風量のまま通年運転しており、換気空調設備が多大なエネルギーを費やしているといえる。

一方、冬期（降雪時期）の換気空調設備の運転において、特に積雪の多い地域では多量の外気を取入れるために外気処理装置の内部に外気に同伴されて雪が侵入し、給気フィルタに付着，目詰まりを起こすなど雪害の懸念がある。この改善策として、外気取入部に防雪フードを設置している。外気の取入れ風速を遅くすることで外気に雪が同伴される可能性を低めれば、防雪フードによる雪の侵入防止効果が発揮されるが、取入れ風速を遅くするために外気の取入れ口を大きく開口することが建築構造上の理由で制限されて困難な場合がある。

原子力発電所の原子炉建屋やタービン建屋のように大規模の建屋においては、建築構造上の理由で外気の取入口の面積に制限が与えられているにもかかわらず、換気空調設備を定格風量で運転している。

このため、過渡的な気象変化に対しては雪の侵入を完全に抑えることができない懸念を有するのが実情である。

これを補うために、最近では防雪フードと給気フィルタの間にヒータを設置した外気処理装置を採用し、そのヒータで防雪フードを通過して侵入して来た雪を融雪する方法も加えられている（例えば、特許文献３参照）。しかし、その融雪方法では、そのヒータは給気フィルタの上流側に設置されることになるため、原子力発電所の立地が海岸線に接近している場合には、そのヒータが塩害を受けて製品寿命の短縮が懸念され、設備コスト増加などの問題点を抱えている。

特開２００３−１３９３６７号公報 特開平５−２０３２０７号公報 特開平０８―２９７１８８号公報

従来、原子力発電所の原子炉建屋やタービン建屋などの大規模換気空調エリアを換気空調する換気空調設備は、夏期のピーク条件での熱除去に対応した定格風量で換気空調設備の送風機と排風機は通年で運転している。そのため、換気空調設備は運転に際して多大なエネルギーを費やしているという課題が存在している。更には、多量の外気を取入れるために降雪地域ではその外気に同伴されて雪が換気空調設備の外気処理装置に侵入することを防止する点について確実な対応ができない点が課題として存在している。

したがって、本発明の主目的は、建屋の換気空調設備の運転エネルギーを抑制することにある。本発明の他の目的は、降雪時に雪が換気空調設備に侵入することを、外気取入口の拡大に極力頼ることなく、また塩害を極力起こすことなく防止することである。本発明の更に他の目的は、換気空調設備の運転エネルギーを抑制しても排気筒の吹き出し気流の風速を規定の値以上に保持して発電所周辺に対する汚染拡散を最小限にすることである。

上記の課題を解決する本発明の特徴は、温度計により測定された、建屋に給気する外気の温度に基づいて、その外気を給気する送風機を有する換気空調設備の風量を求め、求められた風量になるように、送風機を駆動するモータの回転数を制御する回転数制御指令を、そのモータの回転数を制御する回転数制御装置に出力する温度調節器を設けたことにある。

他の発明の特徴は、圧力計により測定された、建屋内外の圧力差が差圧設定値に成るように、建屋内の空気を外部に排気する換気空調設備に排風機を駆動するモータの回転数を制御する回転数制御指令を、そのモータの回転数を制御する回転数制御装置に出力する差圧調節器を設けたことにある。換気空調設備の送風機のモータ又は排風機のモータ或いは両方のモータの回転数を制御するための可変速制御装置を備えた送風機と排風機を構成し、送風機のモータの可変速制御装置に、任意に測定された外気温度を基準に求められる換気空調設備の所要風量と、換気空調設備の定格風量（最大運転能力）との余裕率を演算する温度調節器を設け、温度調節器によりこの余裕率を削減するように送風機のモータの可変速制御装置へ回転数制御指令を送り、送風機のモータを制御することにより送風機を所要風量に調節するものである。

更に好ましくは、排風機のモータの回転数を制御する回転数制御装置には、建屋内外の差圧を調節する差圧調節器を設け、建屋内外の差圧測定値が差圧設定値になるよう、排風機のモータに対する回転数制御装置へ回転数制御指令を送り、排風機のモータの回転数を制御することにより、排風機の運転風量を調節することで、送風量の変化に追従した適正な排気量の制御運転が可能で、運転動力費の節約、及び外気取入口の防雪効果を向上できる。

更には、排気を排気筒へ放出する換気空調設備において、総排気量を測定できる前記排風機出口付近のダクトに圧力調節器を設け、圧力調節器以降の出口ダクトを複数分岐し、１本目の分岐ダクトを除く２本目以降の分岐ダクト全てに遮断弁を設け、圧力調節器により測定した圧力をもって、前記排風機のモータの回転数制御装置により制御された排気量の変化を検知し、この圧力が圧力設定値以上になるように、圧力調節器により遮断弁を閉鎖（閉弁）又は開放（開弁）させ、前記排気筒への放出風速を適正に保持するようにしてある。

本発明によれば、建屋の換気空調設備の運転に要するエネルギーを抑制、及び外気取入口の防雪効果を向上できる。

また、排風機から排気筒の間のダクトに遮断弁を備えた発明にあっては、換気空調設備の排気のための運転エネルギーを抑制しても排気筒の吹き出し気流の風速を規定の値以上に保持して発電所周辺に対する汚染拡散を最小限にすることができる。

原子力発電所の建屋４に装備された換気空調設備は以下の構成を有する。その建屋４は原子炉建屋であってもタービン建屋であっても良い。原子力発電所の建屋４の換気空調設備は、図１のように、外気処理装置２と、外気処理装置２で処理した外気を建屋内に給気する送風機３と、建屋４内の空気を排気筒６側へ送る排風機５とを備えている。

外気処理装置２は、外気１を取入れる部屋に装備されている。外気処理装置２は、その部屋に装着した防雪フード９を有し、その防雪フード９は外気１の取入れ口が下向きにされ、雪が侵入しにくい外気取入流路を構成している。外気処理装置２は、防雪フード９を経由して取込まれた外気１を浄化する給気フィルタ８と、給気フィルタ８で浄化した外気１の温度を調整する熱交換器１０を備えている。この熱交換器１０は、図２のように、外気１の温度が摂氏６度未満の場合は外気１を加熱して約摂氏６度の一定の温度に維持して、換気空調設備の風量が定格の５０％未満の風量を要求されないように対応し、外気１の温度が摂氏２３度を超えた場合は外気１を冷却して約摂氏２３度の一定の温度に維持して、換気空調設備の定格風量（１００％）を超える風量を要求されないように対応できるようになっている。外気１が摂氏６度から摂氏２３度の場合には熱交換器１０は外気１を加熱及び冷却する作用を行わない。

外気処理装置２には、給気フィルタ８や熱交換器１０を通過した外気１を導入するように外気吸込用のダクト１１の一端が接続され、そのダクト１１の他端は送風機３の吸込口に接続されている。送風機３の空気吐出口には、給気用のダクト１２の一端が接続され、そのダクト１２の他端は建屋４の内側に連通されている。

送風機３はモータ２１で駆動されるように構成され、そのモータ２１には給気可変速制御装置２０が接続され、給気可変速制御装置２０には駆動電源２３が接続されている。更に、給気可変速制御装置２０には、給気可変速制御装置２０の制御回路として温度調節器２２が接続されている。温度調節器２２には、外気処理装置２の外気取入口と給気フィルタ８との間で外気１の温度を計測する温度計測装置１４の計測結果が受信できるように、その温度計測装置１４が接続されている。

建屋４内には、建屋４内の空気を吸込めるように吸込み用のダクト１３の一端が接続され、そのダクト１３の他端は排風機５の吸込口に接続されている。排風機５の空気吐出口には排気ダクト４０の一端が接続され、その排気ダクト４０の他端は排気筒６に接続されている。

排風機５はモータ３１で駆動されるように構成され、そのモータ３１には排気可変速制御装置３０が接続され、排気可変速制御装置３０には駆動電源３３が接続されている。更に、排気可変速制御装置３０には、排気可変速制御装置３０の制御回路として差圧調節器３２が接続されている。差圧調節器３２には、建屋４内の圧力を計測する圧力計測装置
１５と屋外の圧力を計測する圧力計測装置１６とが、両圧力計測装置１５，１６による各圧力計測結果が入力されるように、接続されている。

このような換気空調設備においては、駆動電源２３を給気可変速制御装置２０で調整して駆動電源２３からの電力をモータに通電すると、送風機３が駆動される。送風機３が駆動されることによって、外気処理装置２内には大気から外気１が防雪フード９内と給気フィルタ８や熱交換器１０を通過してダクト１１内に吸込まれる。ダクト１１内に吸込まれた外気は送風機３によってダクト１２内に吐出され、ダクト１２内に吐出された外気は建屋４内の各室内に給気される。

その一方で、駆動電源３３を排気可変速制御装置３０で調整して駆動電源３３からの電力をモータ３１に通電すると、排風機５が駆動される。排風機５が駆動されることによって、建屋４内の各室内の空気はダクト１３内に吸込まれる。ダクト１３内に吸込まれた空気は排気として排風機５によって排気ダクト４０内に吐出され、排気ダクト４０内に吐出された排気は排気筒６から吹き出し気流７として大気に排気される。

このような給気と排気によって、建屋４内の熱も排気に同伴されて大気へ排熱される。大気への熱や塵埃の排出を抑制したい場合には、排気を熱交換器で冷却し、除塵装置で排気中の塵埃を除去してから排気筒６から吹き出し気流７にして大気へ排気する。

図１の換気空調設備においては、給気可変速制御装置２０によりモータ２１の回転数を制御する送風機３、及び排気可変速制御装置３０によりモータ３１の回転数を制御する排風機５を備えている。

給気可変速制御装置２０の制御回路である温度調節器２２へは、少なくとも２つの条件が入力され、１つは、固定条件である換気空調設備の設計条件が入力される。具体的な入力例としては、設計給気温度、夏期ピーク時における建屋４内部各室平均排気温度、又はこれら設計給気温度と平均排気温度との差温度が挙げられる。もう１つは、可変条件である外気１の温度が温度計測装置１４から連続的に入力される。

温度調節器２２は、任意に測定した外気１の温度を基準に、このとき必要な所要風量を演算すると共に、夏期のピーク設計条件時に必要な容量、すなわち定格風量で運転した場合との余裕率を連続的に演算する。

余裕率の考え方について、換気空調設備設計の観点から具体的に説明する。換気空調設備の所要風量は、一般に下記の数式１によって求められる。下記の表１に数式の各物理量の実用的な値の例を示す。

Ｑ＝３.６ｑ／γ・ｃｐ・（ｔｒ−ｔｓ） …（式１）

発熱量ｑは一般的に設備設計上において夏期ピーク条件を設定している。このため所要風量Ｑは排気温度ｔｒと給気温度ｔｓとの温度差に反比例する関係にあることがわかる。

原子力発電所の換気空調設備を例にした場合、夏期ピーク条件における設計値を仮に外気１の温度ｔｓ＝２３℃，排気温度ｔｒ＝４０℃で設定した場合、除熱温度差１７℃が設備容量の算定ベースとなる。

一方、冬期など外気１が設計給気温度より低くなる場合は、計算上除熱温度差が大きくなり所要風量は少なくて済む。図２は原子力発電所の換気空調設備を例にした場合の外気１の温度と所要風量の概念を示すもので、横軸は給気温度、縦軸は所要風量の割合を示す。仮に外気１の温度ｔｓ＝１５℃のとき、所要風量の割合は夏期ピーク条件の約７０％になるが、このときの約３０％が余裕率となる。

この余裕率を削減するため、温度調節器２２は回転数制御指令を給気可変速制御装置
２０へ送り、この指令に基づいて送風機モータ２１を制御することにより送風機３を所要風量の割合が約７０％となるように運転させる。なお、給気可変速制御装置２０は、回転数制御指令に基づいて駆動電源２３からモータ２１へ供給されるモータ駆動電力の周波数や電圧を可変できるＶＶＶＦ（Variable Voltage, Variable Frequency）型インバーターを採用するものとした。

なお、必要動力は風量比のほぼ３乗に比例して減少するので、所要風量が７０％に低減した場合、(０.７)^３＝０.３４３となり、約６５％の節約ができることから、省エネルギーが期待できる。

次に雪の侵入防止について説明する。図２に基づき、例えば降雪時期で給気温度６℃のとき、所要風量すなわち外気取入れ量が夏期ピーク風量から半減する。従来の取入口の面積をベースに想定した場合、風量の半減は取入れ風速も半減するので、外気１に同伴されてくる雪の外気処理装置２内への侵入を飛躍的に抑えることが可能となる。

一方、排気可変速制御装置３０の制御回路である差圧調節器３２へは、任意に測定した各圧力測定装置１５，１６で計測された建屋の内側と建屋の外側の圧力が入力され、両者を比較して建屋の内側が外側に対して目標とする内圧条件となるよう設定し、その設定した値（差圧設定値）に制御させる。その制御方法は排気可変速制御装置３０の制御回路である差圧調節器３２から、排気可変速制御装置３０へ回転数制御指令を送る。この指令に基づいてモータ３１の回転数を制御することにより排風機５は給気側の所要風量の変化に追従しながら運転される。

なお、原子力発電所の換気空調設備では、室内で発生した汚染物質が屋外へ拡大せぬよう建屋４内を外気に対して負圧に保つ目的があるため、差圧調節器３２の差圧設定値を予め建屋の内側が外側に対して負圧に成るように設定することにより、その目的の達成が可能となる。また、排気可変速制御装置３０は、給気側と同様に、回転数制御指令に基づいて駆動電源３３からモータ３１へモータ駆動電力として供給するその電力の周波数や電圧を可変できるＶＶＶＦ型インバーターを採用するものとした。

図３は換気空調設備の第２実施例による系統図であり、送風機３と排風機５の風量制御方法は第１実施例と同じである。本実施例は原子力発電所において、排風機５の下流に位置する排気ダクト４０を図２に示す所要風量割合を参考に３本の分岐ダクト１７，１８，１９に分岐し、その３本の内の１本目の分岐ダクト１７を除く２本目と３本目の分岐ダクト１８，１９に遮断弁４１，４３を設け、排気筒６の吹き出し気流７の風速を規定値以上に保持するものである。ここで、その風速の規定値とは、図２による所要風量割合１００％運転時における排気筒６の流速を目安に設定される。

分岐ダクト１７，１８，１９が３本に分かれる個所よりも排風機５よりの一本にされている排気ダクト４０の内側には、圧力計測装置４４が設けられる。その圧力計測装置４４は排気ダクト４０内の圧力を計測して圧力調節器４２に計測結果を伝送している。圧力調節器４２は、遮断弁４１，４３に開弁や閉弁の指令を与えて遮断弁４１，４３に開弁又は閉弁の動作をさせるように、遮断弁４１，４３の弁駆動装置に接続されている。

第２実施例においても排気可変速制御装置３０の制御で、外気１の温度変化に応じて換気空調設備の風量は変化するが、例えば外気１の温度が低くなり風量が減少する場合、排気筒６を流れる総断面積が一定であると吹き出し気流７の風速は規定値以上の保持ができなくなる。

そこで、今まで開弁されていた遮断弁４１，４３を閉弁させることにより排気筒６を流れる断面積を減少させ、吹き出し気流７の風速を保持するものである。その制御方法は、吹き出し気流７の風速の変化に伴い排気ダクト４０の内部抵抗が追従して変化することに着目し、図２による所要風量割合１００％運転時の圧力を圧力基準値として、圧力計測装置４４で計測した排気ダクト４０の内部圧力が、この圧力基準値を下回らないように、圧力調節器４２により１つ目の遮断弁４１に閉弁の指令を送って二つある遮断弁の内の一つ目の遮断弁を閉弁する。その開弁の指令は、圧力計測装置４４で計測結果を圧力調節器
４２が受けて、圧力基準値と比較してその計測結果が圧力基準値を下回る直前に、圧力調節器４２が遮断弁に発信するものである。

排気可変速制御装置３０の制御は外気１の温度変化に対応しているため、外気の温度の変化があって、更に風量が減少して圧力基準値以下になると、圧力調節器４２は更に２つ目の遮断弁４３に閉弁の指令を送って二つある遮断弁４１，４３の内の二つとも閉弁する。

また、圧力計測装置４４で計測した圧力が圧力基準値を予め設定した範囲を超えて上回る場合には、その計測結果を受けた圧力調節器４２が今まで閉弁状態の一つの遮蔽弁に開弁の指令を与えて遮蔽弁を開弁させる。更にも圧力計測装置で計測した圧力が圧力基準値を上回る場合には、その計測結果を受けた圧力調節器４２が今まで閉弁状態のもう一つの遮蔽弁にも開弁の指令を与えて二つの遮蔽弁４１，４３ともに開弁させる。

尚、図２では外気１の温度が６℃未満で外気を熱交換器で加熱する暖房運転を開始するものとしたため、所要風量を算定する除熱温度差がここを境に一定になり、結果的に所要風量は５０％以下にならない下限制御になっている。つまり、１本目の分岐ダクトを除く２本目以降の分岐ダクトに設けた理由としては、下限制御により不変流量の残り５０％の部分を１本目の分岐ダクトに流すことにしているので、遮断弁４１，４３の必要がなくなるためである。これは、原子力発電所の換気空調設備は２４時間稼働が要求されることから、遮断弁４１，４３を設けないことで誤作動防止を図り、継続運転を行える配慮もある。

また、本実施例では圧力調節器４２を設けて遮蔽弁４１，４３の弁開閉動作を自動制御する形態にしているが、排気ダクト４０内の圧力を計測する圧力計測装置４４の圧力計測結果に基づいて圧力基準値以下の圧力で遮断弁４１，４３を閉弁させるための警報を発し、圧力基準値に予め設定した範囲の圧力を加えた値を超えた場合に遮断弁４１，４３を開弁させるための警報を発する設備を設けて、その警報で遮断弁４１，４３を遠隔手動操作で閉弁又は開弁するなど、状況に応じて選択は可能である。第２実施例においては、その他の構成は図１の換気空調設備と同じである。

このように、いずれの実施例でも、換気空調設備の運転動力の低減、冬期における外気取入口の防雪対策という目的を、換気空調設備の制御系の改善で実現した。

また、第２実施例では、排気筒の吹き出し気流の風速確保という目的を、換気空調の基本プロセスを大きく変更することなく、分岐ダクトと遮断弁の設置で実現出来た。

本発明は、原子力発電所のみならず、その他産業の建屋における換気空調設備に用途がある。

本発明の第１実施例による換気空調設備の系統図である。 本発明の第１実施例による外気温度と所要風量の入力条件の概念を示すグラフである。 本発明の第２実施例による換気空調設備の系統図である。

符号の説明

１…外気、２…外気処理装置、３…送風機、４…建屋、５…排風機、６…排気筒、７…吹き出し気流、８…給気フィルタ、９…防雪フード、１０…熱交換器、１１，１２，１３…ダクト、１４…温度計測装置、１５，１６，４４…圧力計測装置、１７，１８，１９…分岐ダクト、２０…給気可変速制御装置、２１，３１…モータ、２２…温度調節器、２３…駆動電源、３０…排気可変速制御装置、３２…差圧調節器、３３…駆動電源、４０…排気ダクト、４１，４３…遮断弁、４２…圧力調節器。

Claims (5)

1. 建屋内へ外気を給気する換気空調設備の送風機と、
   前記送風機を駆動するモータの回転数を制御する回転数制御装置と、
   前記外気の温度を測定する温度計と、
   測定された前記外気の温度に基づいて前記換気空調設備の風量を求め、もとめられた前記風量になるように前記モータの回転数を制御する回転数制御指令を前記回転数制御装置へ出力する温度調節器と、
   を備えた換気空調設備。
2. 建屋内の空気を前記建屋外へ排気する換気空調設備の排風機と、
   前記排風機を駆動するモータの回転数を制御する回転数制御装置と、
   前記建屋内外の圧力を測定する圧力計と、
   測定された前記建屋の内側と外側の圧力差が差圧設定値になるように回転数制御指令を前記回転数制御装置に出力する差圧調節器と、
   を備えた換気空調設備。
3. 請求項２において、
   前記排風機から排気筒へ排気を導くダクトと、
   前記ダクト内の圧力を測定する他の圧力計と、
   前記他の圧力計による圧力測定個所よりも下流側で前記ダクトに接続された複数の分岐ダクトと、
   前記複数の分岐ダクトのうちの少なくとも一つの分岐ダクトに設けられた遮断弁と、
   前記他の圧力計による圧力測定値が圧力設定値以上に成るように前記遮断弁を閉又は開する圧力調節器と、
   を備えた換気空調設備。
4. 建屋内へ外気を給気する換気空調設備の送風機と、
   前記送風機を駆動するモータの回転数を制御する第１回転数制御装置と、
   前記外気の温度を測定する温度計と、
   測定された前記外気の温度に基づいて前記換気空調設備の風量を求め、求められた前記風量になるように前記モータの回転数を制御する第１回転数制御指令を前記第１回転数制御装置へ出力する温度調節器と、
   前記建屋内の空気を前記建屋外へ排気する前記換気空調設備の排風機と、
   前記排風機を駆動するモータの回転数を制御する第２回転数制御装置と、
   前記建屋内外の圧力を測定する圧力計と、
   測定された前記建屋の内側と外側の圧力差が差圧設定値になるように第２回転数制御指令を前記第２回転数制御装置に送る差圧調節器と、
   を備えた換気空調設備。
5. 請求項４において、
   前記排風機から排気筒へ排気を導くダクトと、
   前記ダクト内の圧力を測定する他の圧力計と、
   前記他の圧力計による圧力測定個所よりも下流側で前記ダクトに接続された複数の分岐ダクトと、
   前記複数の分岐ダクトのうちの少なくとも一つの分岐ダクトに設けられた遮断弁と、
   前記他の圧力計による圧力測定値が圧力設定値以上に成るように前記遮断弁を閉又は開する圧力調節器と、
   を備えた換気空調設備。

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